基于FPGA的外差信號(hào)處理方法

　　外差信號(hào)處理原理

　　在雙頻激光外差干涉儀中，光學(xué)系統(tǒng)的改善很成熟，要想提高測(cè)量精度，對(duì)外差信號(hào)的處理成為了關(guān)鍵。從本質(zhì)上講，外差信號(hào)的處理方法分為頻率解調(diào)和相位解調(diào)，頻率解調(diào)法是將干涉儀測(cè)量鏡運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)于運(yùn)動(dòng)位移的加減系列脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到測(cè)量結(jié)果，典型的是鎖相倍頻計(jì)數(shù)，以電子倍頻、混頻及計(jì)數(shù)電路為基礎(chǔ)，對(duì)外差信號(hào)的多普勒頻差進(jìn)行“放大”計(jì)數(shù)。在倍頻電路中，應(yīng)根據(jù)鎖相環(huán)的鎖定范圍合理設(shè)計(jì)倍頻系數(shù)，若超出將造成失鎖。同時(shí)由于倍頻后信號(hào)的頻率很高，對(duì)電子技術(shù)、電子器件的要求較高，后期電路設(shè)計(jì)難度增大。

　　相位解調(diào)法，當(dāng)外差干涉儀的測(cè)量鏡移動(dòng)時(shí)，測(cè)量光束空間光程發(fā)生變化從而引起外差干涉信號(hào)的相位變化，利用相位檢測(cè)測(cè)出相位變化，即可獲得被測(cè)量的大小，本質(zhì)就是對(duì)測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)比相。狹義的相位法也可稱小數(shù)測(cè)量法，模擬信號(hào)采用AD采樣等方法，數(shù)字信號(hào)中較基礎(chǔ)且典型的是填脈沖法，以參考信號(hào)為基準(zhǔn)，基于過零檢測(cè)原理，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行填脈沖，對(duì)所填脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得測(cè)量結(jié)果，測(cè)量范圍局限于一個(gè)周期。廣義的相位法即小數(shù)測(cè)量結(jié)合整周期計(jì)數(shù)，整周期計(jì)數(shù)可采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)模式有兩種大數(shù)對(duì)減和先對(duì)減后計(jì)數(shù)，外差信號(hào)的計(jì)數(shù)方法有兩種，一種是先計(jì)數(shù)后對(duì)減，即先對(duì)參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)分別計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)減得到測(cè)量結(jié)果，即大數(shù)對(duì)減;另一種先對(duì)減后計(jì)數(shù)，即先分別將參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)對(duì)頂后形成加減計(jì)數(shù)脈沖，然后由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到測(cè)量結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，采用先計(jì)數(shù)后對(duì)減，在原來基礎(chǔ)上做了一定的改善。

　　在設(shè)計(jì)中，測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)均為數(shù)字信號(hào)，小數(shù)測(cè)量基于過零檢測(cè)原理，采用填脈沖。具體原理如圖1所示。